U N 1 V E R S I D A D A U T O N O M A

M E T R O P O L I T A

AREA DE INGENERIA QUIMICA

PROYECTO DE SERVICIO SOCIAL

"FIL TRA CION"

PRESENTAN:

ASESOR:

FLORES VARGAS JOSE FELIPE

VILLEGAS LARA MIGUEL ANGEL

CARTER

Septiembre, 1995.

, . . , . . . *~.

c.

r .

*. ~

C,.

.. . c*

....

.__l

*. ,

,#...

-. r .

I._

c.

.. . - -. .

c.1

. .

-...

L ,

..-

CONTENIDO

I . OBJETIVOS.

a) OBJETIVO GENERAL. b) OBJETlVOS PARTICULARES.

11. JUSTIFICACION.

UI. INTRODUCCION.

IV . ECUACIONES BASICAS QUE DEFINEN LA FILTRACION

V , USO PRACTICO DE LAS ECUACIONES BASICAS.

a) FETRACION A PRESION CONSTANTE INTERMITENTE. b) FILTRACION A PRESION CONSTANTE CONTINUA.

V I . PLANEACION EXPERIMENTAL DE LAS PRIE’BAS

Vü . FILTRO PRENSA.

VID. PRUEBAS EXPERIMENTALES

a j DETERMíNACION DE CONTANTES DE FJLTRACION. 6) FETRACION APRESION CONSTANTE.

iX . EVALUACION.

X . CONCIJJCION

XI. BIBLIOGKAFIA.

c.

..

c.

2

I . OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL: Desmílar y diseñar un manual de prácticas que sea aplicable a un filtro prensa a nivel planta piloto.

OBJETIVOS PARTICULARES: a) Inbomicir el estudio de la f&nc&n por medio de pruebas . ' ' les para soluc¡4n

de problemas de separación sólido-líquido. b) Deducir y explicar las ecuaciones fundamentale de esta operación. c) Determinar el uso y manejo de un filtro prensa. d) Elaborar n&tOdos experimentaes para el uso CMIBcto del filtro prensa.

3

TI. JUSTIFWACION:

Existe una gran variedad de procesos industriales donde la tecnología sobre filtración es reqnerida para separar los sólidos suspendidos en un fluido. Se presentan desde simples drenados basta separaciones complejas. Estas opciones de separación deben tener un costo razonable y rralizable con n o m s de seguridad adecuados para que los productos obtenidos cubran los requerimientos establecidos dentro del proceso.

L.os problemas de separación de sólidos suspendidos en fluido pueden ser resueltos mediante una gmn variedad de %cnicas como una sencilla dwaiación, hasta la elaborada separadn por micra y ultrafiltración. Tales técnicas son usadas según las caracferísticas de los sólidos del fluido y, sobre todo, los resultados deseados de dicha separación.

Los principales factores que afectan a los precems, determinan la efectividad mediante los cuales se puede realizar la separación deseada y son:

- La concentración de sólidos y tamaño de parücula. - La temparahna.

- La presión - La viscosidad y - La densidad.

- El PH.

Estos parámetroS hacen que la simple separación se convieria en una operación compleja. por tanto, para seleccionar u operar un equipo cai tal ñn se debe ccmsiderar todas las variables que intervienen en el problema por resolver.

La filtración se m i d e r a como operación unitaria y forma parte de las separaciones mecánicas y esta sustentada en las difxencias fisicas de las partículas. Im metas de la filiracbn son:

a) Clarificación de sólidos. b) Recuperación de sblidos. c) Recuperación de Iiquidos. d) Recuperación de ambas fases. e) Fiitrac.ión para faciíitar otras operaciones como: presecado, lavado de materiales aolubles

depositados en los sólidos, &c.

La filtración a escala industrial es simiiar a la que se realiza a escala de laboratorio, las experimentaciones en un ñltro, ilustran imporhntes aplicaciones de los principios basicos de la dinámica de Huidos a través de los lechos granulares porosos estiiticos y se lleva acabo por la diferencia de presión total entre la suspensión a filtrar, el medio filtrante y el filtrado obtenido; existe además una resi.stencia ocacionada por el depósito de parüculas sólidas sobre el medio filtrante y que va incrementándose conforme la filtración avanza, basta agotar el volumén. Otro tipo importante de filtración es la usada para clarifícar o limpia^ fluidos" que contienen cantidades de sólidos relativamente pequeñas + O. 15% en volumén.

4

’..

” ,.

r .

1 1 . TNTRODUCCION.

Filtración es la separacón de sólidos suspendidos en un tluido, a trav6s de un medio poroso, fibroso o granular mediante la aplicación de ma fuena impulsm,en un @ d o determinado

En esta definición pueden idenficarse cuatro factores:

1. Sólidos. 2. Medio filtrante. 3. Fuma impulsora. 4. Tiempo.

Estos factores, determ¡nan la.. siguientes consideraciones:

1 . Por lo que se refiere a la naturaleza de los sólidos, la filtración involucra la acumulación de sólidos Compresibles o incompresibles: partículas deformables o rígidas que pueden ser de &ve.rsos -os, en bajas o altas proporciones, y que, al depositarse en el medio filtrante. formarán capas de sólidos (tortas).

Basandose en la c o n ~ c i ó n y/o con base en la rapidez de filtración, las suspensiones de sólidos pueden clasificarse en:

- Suspensiones de filtración rápida. - Suspensiones de filtración mediana. - Suspensiones de filtración lenta. - Suspensiones diluídas. - Suspensiones muy diluidas.

2 . IB fundamental en cualquier ñitro es el medio filtrante, de hecho, aim el mas ingenioso filtro es inúiil Sin un medio adecuado. Las características de un medio ñitrante dependen de las propiedades del m a t e d del que se fabrica y de las tBCnicas empleadas en su elaboración

1,a seleción de un medio filtrante, se realiza tomando en cuenia los siguientes puntos:

- Tamaño minim0 de paríícula retenida. - Permeabilidad o resistencia al flujo. - Relación entre oclusibn del medio o incremento de resistencia al flujo. - Re.sistencia al calor, a la acción de productos quimicOs, a la abrasión y a la flexión. - Resistencia a la rotura. - Estabilidad dimencional. - Facilidad de limpieza.

TIPOS DE MEDIOS FKTmhYES. Telas metiilicas, telas naturales y sintéticas, placas de asbestos o celulosa, hojas de papel de celulosa o de fibra de vidrio, sólidos sueltos, etc.

5

..

c .

I .

I .

<< --

. .

w -

.. ..

. -.

FILTRO AYUDA. Es un material finamente dividido que no se compacta N m p & e por la pm&n que ejerce el líquido al pasar a través de estos tipos de m a t d e s . Son agregados a suspensiones que presentan problemas de compresibilidad en la filtración, dificultad en la misma o por tamaño de partículas muy pequeñas. Los requerimientos de un filtro ayuda son: debe ser inerte, ligero y formar una toria porosa.

3 . En relación con la fuecm impulsora la separación se efectúa induciendo al fluido a través del medio filtrante. Si 108 sólidos son depositados por la fuerza de gravedad, el proceso se denomina filtración por gravedad. Si el filtrado se induce por una fuerza mayor a la presión atmosférica, se prodece la filtración a presión. Finalmente, si es una fuerza menor que la presión atmosférica se origina la filtración al vacío.

Ya que la separación de los sólidos contenidos en un fluido RF mediante una f u m inipulsora, de acuerdo a ella los filtros pueden clasificarse en:

- Filtros por gravedad. - Filtros al vacio. - Yiltrns a presiún. - Filtros centrífugos.

FILTROS POR GRAVEDAD. En ellos la fuerza impulsora es la presión de la columna del iiquido sobre el medio filtrante, la fuerza e& dada por la naturaleza. Un ejemplo tipico es el filtro de arena abierto: de muy poco uso inch~strial.

FILTROSAL VACIO. La fuerza impulsora es la succión del medio ñltrante o sálida del filtrado. El diseño o construcción de estos filtros esiá basado en el método utilizado para producir vacío, así como el tip de descarga de sólidos, existiendo, desde luego, limitaciones en la obteción del vacío, donde las mas sobresalientes son: la diferencia de presión está limitada por la latitud; la localización de pirdidas de vacío o inundaciones con suspensión, las cuales son dificiles de localizar.

Los filtros están diseñados básicamente para operaí en forma cíclica y continua. El tipo más simple consiste de un íanque de fondo falso muy parecido al Buckner usado en el laboratorio instrumental; a pesar de que este filtro es ralativamente barato y fácil de o m , su capidad es baja. Para manejar grandes cantidades de suspensión, el filtro de vacío y el filtro de tambor rotatorio son los más usados. El filtro de tambor rotatorio de compartimiento mhltiple es un ejemplo de filtración continua, ya que cada compartimiento p a por el niisrno ciclo de operación:

1. Formación de torta y separación de filtrado. 2 , Escurrimiento. 3. Lavado de torta. 1. Desprendimiento de la torta.

6

... ,

L .

.

I .

.,~I

~.

r ..

~ ,..

....

. .

I .

. . ~ ..

L.

'. '

.. .

,.

IV . ECIJACIONES BASICAS QUE DEFINEN LA FILTRACION:

'r17uiando en cuenta los conceptos a u t ~ o m s se verá como la teoría puede incluir las variables que intervienen en la filtración mediante diversas ecuaciones.

Hay dos tipos de variables que interv¡enen en estas ecuaciones: 1. Variables del proceso, pertenecen al sistema partícular que se va a separar y son:

- Tamaño de parhcula. - Tendencia a la flxulación. - Viscosidad del fluido. - 'l'emperatura a la que se realiza la o p c i ó n - Concentracihn de la suspensión.

- Densidad del sólido y del liquido.

2. Variables del disefío, se presentan como posibilidades para resolver el problema, algunos

- Area de íiltraciori. - Caída de presibn a través del filtro. - Resistencia del medio filtrante. - Cantidad de sólidos y filtrado obtenido por unidad de tiempo. - Filtración continua o intermitente. - Humedad de la torta. - Tiempo de lavado.

Aunque la teoría no se tame como Única base para el diseño de un filtro su valor radica en el poder interpreta las pruebas de laboratorio para selección del filtro o para predecir los efectos resultantes del cambio en las condiciones de operación y por tanto el disefío del equipo. Los resultados mas importantes que pueden obtenerse con la aplicaci4n de la teoría de la filtración en pruebas expimentales son:

- Decidir el tipo de filtro que resuelva el problema. - Dimencionar el filtro o centrhga. - Poder predecir el efecto de las Variaciones en las condwiones de operación en un filtro ya

- Determinar la cantidad de filtrado y de shlidos recuperados en un determinado ciclo de

- La humedad contenida en loa sólidos. - La resistencia que ofrecen la torta y el medio filtrante y la compresibilidad de la torta.

A diferencia de otras separaciones en la filtraci6n no es posible dimensionar un equipo de este tipo, sin pasar por una fase de experimentación en las r p se establezcan las características de la operación y las condiciones óptimas de trabajo, de tal manera que los resultados experimentales se extrapolen con un minim0 de seguridad. Un proyecto para la

- pH.

son:

conshido.

operación

I.. selección de un filtro basado exclusivamente en datos y fórmulas de manuales h e e n mas aleatonos los resultados.

El modelo sobre el cual se han desarrollado las ecuaciones tebncas y de diseño es:

El flujo de filtrado q obtenido, es el resultado de la hema impulsora vencer la resistencia R .

El flujo volumétxico de filtrado se deíine como:

P que necesita

q = do

La resistencia ai flujo R está dada por tres resistencias, las cuales están en serie y se manifiestan como caidas de presibn y son:

- Kesistencia de ductos y conexiones. En un filtro bien diseñado, estas resistencias pueden despreciarse a compararlas con las de la torta y la del medio filtrante.

- Kesistencia de la torta. Tiene un valor de cero ai inicio de la filtración y se hcrementa con el tiempo de fíítración.

- Resistencia del medio filtrante. Esta resistencia asociada con la de la torta es la resistencia total del lecho, ya que el flujo es en serie, la caída de presión total en el filtro es igual a las midas de presión individuales, durante el lavado de la torta todas las resistencias incluyendo la de la torta son consiantes y la del medio filtrante es generalmente despreciable.

La cantidad de volumd!n W d o obtenido en deternunado fiiijo tiene por lo tanto, una relación directa con la fuerza impulsora y una relación con la resistencia:

La constanie depende de la permeabilidad del lecho (lecho es el medio filtrante y los sblidos acumulados). Si la permeabilidad se define como la facilidad con que pasa un liquido, lo inverso será la dificultad con ia que pasa, y en este caso, se refiere a la resistencia. Tal concepto de resistencia es de suma importancia por su significado fisico y p” sus efectos en la operación.

8

*

~.

.. 1. .

* I

L.

C..

c ..

" I

- .. . ... . .

,,.. . . .". .

Al empezar la ñítración, los sólidos se depositan sobre el medio filtrantq el espesor de la torta se va incrementando conforme transcurre la filtración, y se forman especies de canales o capilares por donde fluye el licor, siempre con un flujo lento (iamuLar), en este caso; la ecuación de Poiseville puede usarse como ecuación básica para cuantificar la velocidad de flujo. La forma original de la ecuaci6n referente al flujo de un líquido a través de un canal largo y con sección transversal constante, es la siguiente:

u = kAP) I? gc 3 2 / 4 L

Donde: U = velocidad del fluido (míseg) P = diferencia de presión (Kd d) D = diámetro del canal (m)

:-= viscocidad del filtrado (Kdm s) L = longitud del canal ím)

gc -- factor de convmi6n de unidades con valor de 9.81. (Kg mí Kg s' ). La iniprtancia de la ecuación de Poiseville se debe a que predice el efecto que tendría el tRmaa0 del canal en la velocidad del fluido.

i h a mejor aproximación que relaciona estas variables es empleada en la ecw16n de d'Arcy:

En esta ecuación se incluye un coeficiente K, que depnde de la permeabilidad del lecho y es adimensional.

Desde el punto de vista prhctico de la filtración es nus imporiante conocer el flujo volur~étrico de la velocidad lineal del fluido. Al aplicar la ecuación de d'Arcy queda niodificada:

2 En esta ecuación, A = área del lecho (m ).

A partir de la ecuaci6n (4), el coeficiente de permeabiliad adquiere la siguiente expresi6n:

9

r

I

.. .

...

I-

, ...

L

,*

.. ,

C# .

... ".

.. .

+ .

... - .

c

.- - .

-. .

K = .A A(-dP) dV gc -

dt

Esta es la primera aportación de la teoría para determinar la permeabilidad del lecho, ecuación que responde al trabajo experimental de una torta de espesor fijo, viscocidad fija, área de torta fija y presión fija, para medir la cantidad de fluido que pasa en la unidad de tiempo ( para algunos materiales, la unidad de permeabilidad es el d'Arcy.

Otra de las ecuaciones de inter& teórico es la propuesta por Koseny y Camian, quienes introdujeron dos terminos: porosidad (e) y superficie especifica de las partículas (Sv) usadas para calcuk el flujo de fluidos en lechos porosos. Estos dos t e d i o s modifican la ecuación (4) como sigue:

dV = .e . A(-bP) P,C

dt k Sv' (l-e)2 /y I,

Donde: e = Fracción hueca o porosidad de las partículas sólidas (sui dimensiones) Sv = Superficie específica de las partículas sóliad en un volumén base (m'/ d ). k = Constante de I R ecuación de Koseny y Carman con un valor de 5 en el sistema c.g.s.

(sin dimemiones).

En realidad, el valor de K de la ecuación (3) es:

9 K = e

k Sv'(1-e)'

En ésta íiltima expresión se caracteriza11 las partículas de sólido tales como su forma y tirrila80.

Si la comparamos con la ecuación (2), de Poiseville, esta última expresión sustituye al diámetm del canal.

i7)

10

.. .

I",

. ..

...

.. .

r.l

. .- "....

.. ,

". . . .

. .

P-

C"

*.-

r*

r

r

V . USO PRACTICO DE LAS ECUACIONES BASICAS.

Recordando que la permeabilidad del sistema tiene una relación inversa con la resistencia total a la filtración, se tiene:

1.n ecuación (4) cambia a la siguiente expresión:

En esta ecuación se reúnen las variables del proceso y las variables de disefío

En la ecuación (8), el valor de la resistencia de la toría, se multiplica por la cantidad de sólidos recupenidos (w) (siendo w, el peso de la torta seca por unidad de v o l d n , en la unidad de ai-ea de filtración (A)) y por el volumén de filtrado recolectado (v).

Generalmente, la resistencia del medio filtrante se considera consiante, aunque en reaiidad su valor aumenta gradualmente conforme se depositan los sólidos en los intersticios del medio filtrante.

Entre los poincipales resultado mencionados que pueden obtenerse con la aplicación de la teoria interesa detemiinar el v o l d n de filtrado obtenido en un intervalo de tiempo definido. La ecuación (8) puede integrarse para tal fin, consideramdo que , , r, w, R y A son constantes, ya sea que la presión de operación se mantenga constante conforme disminuye el flujo, o que el flujo se mantenga constante con incrementos progresivos en la presión.

De lo anterior surge una clasificación de la operación de los filtros en dos grandes categorias: 1. Filtración a presión constante. 2. Filtración a velocidad constante

c

r -

11

c.

..

., .

’. ,.

I.*

.. .

*.-

.. ..

e_.

’< .

Poniendo el iuverso de la ecuaci6n (9) y separando el término variable de volumén, se tiene:

Donde V = Volumén total de filtrado, en m , recolectados en el tiempo t, segundos (supomendo

que el tiempo se mide en el instante en el que cae la pnmera gota de filtrado) As1 para el t = O. V = O

Si se pf ica el volimén contra el tiempo, se obtiene una parábola:

.

I..

.. . c.

12

” . Para fines pnicticos se verá ahora como obtener otra de las inc6gnitas de la filtración: la resistencia de la torta, la resistencia del medio filtrante y la compresibilidad de la torta a partir de la aplicación de la ecuación (10).

r .

La ecuacibn (10) se separa en los términos que permanecen constantes, de este modo:

Donde:

._, ..

*.l

1. .

I...

.. ci”

. <*...

Suponiendo que durante una experimentación se han hecho las determinaCiones de volumén recolectado en los diferentes intervalos de tiempo, dt. al prafiw düdV vs V se obtiene una línea recta:

c

r

r

c.

1 3 v-

Donde. 12 pendiente de esta recta es IC, y la ordenada al origen es K, , definidos con anterioridad por-las ecuaciones (14) y (1 9, respectivamente.

Con estos valores de K, y KL se pueden despejar y .

= K, Ae(-dP)gc W

r = K A í-dP)gc z P

Se pueden hacer experimentaciones varias determinaciones a diferentes presiones: de esta m e r a , se puede calcular la variación de la resistencia

otra detemiinación impOaante es la de los efectos de compresión, es decir, el efecto de la presión en la resistencia especifica de la torta. La correlación propuesta (de Almy y Lewis) es la siguiente.

con respecto a la presión.

o( = 06 (-dP)$

Donde: OC, = Resistencia específica a una presión de cero m/Kg.

S Factor de compresibilidad (sin dimensiones)

El valor de S va de O. 1 a 1.0, para valores bajos de S, se dice que la torta es incompresible y para valores altos la torta es umpresible.

FILTRAC'ION A PRESION CONSTANTE CONTINUA. Las ecuaciones que canicterizan a la filtración continua o serie continua de ciclos wrtos están basados en la iniegración de la ecuación general de filtración (ecuación IO). Antes de discutirlas, es neceSano especificar las operaciones que se efectuan en las difereníes @es del filtro, cada una con una duración bien definida.

I . Fomiaci(>n de la torta. 2. Lavado de la torta. 3. Secado parcial de la torta. 4. Secado térmico, si se requiere. 5 , Descarga de la torta. 6. Lavado del medio f i l h t e y10 formación de precapa. 7 . Superficie muerta hasta el inicio del nuevo ciclo.

14

..

. .-

,-"

. .

Las cuatro primeras estan controladas por la velocidad de operación del proceso y, a su vez dependen del tipo de suspensión y de la presión de operación, las t res Últimas etapas (descarga, lavado y superñcie muerta) dependen de las características de disdo del equipo.

Las eciiacionw propuestas por Dahlsimm D.A. y Pourchas D.B. se deducen de las modificaciones hechas en las ecuaciones establecidas para filtros intermitentes, ecuación (13).

- dt = dV

K , V + Kz

En la filtrrici6n continua, la resistencia del medio filtrante es despreciable en comparación con Ir resistencia de la to&.

Por lo tanto, el factor IC puede eliminarse.

Integrando enire los limit@ de operación, la ecuación ya modificada queda:

En este tipo de. filtración t es el tiempo requerido para la formación de la torta y este tiempo siempre es menor que el tiempo total de ciclo de operación, o sea:

t = F t ,

Donde: F = Fracción disponible pam la formación de la torta en un filtro continuo, t, = Tiempo del ciclo total de operación.

En un íiltm de tambor miatono, F, es la sumergencia del íambor en la suspensión.

De acuerdo con la ecuac16n (14).

% = - gc (-AP) A'

1.5

." Sustituyendo K en la ecuación (20):

I ) . .

y despejando VIA:

*-

z F t = 4 dW V

2 (-AP) g~ 77-

Para que la ecuación anterior sea de aplicación mas general, habrá que introducU el factor de compresibilidad:

La capacidad de un fitro se expresa como el flujo de filtrado q , o sea:

De esta manera se hsn presentado las ecuaciones básicas que deíinen las caracte~5sticas de la filtracidn.

16

c.

...

Vi , PL,ANEACION EXPERIMENTAL PARA LAS PRUEBAS.

Se requiere tener una i&orrnación lo mas completa posible sobre material que se va a filtrar:

1 . Conocer el proceso anterior a la filtración y posibles variaciones en los objetivos de la filtración como: tendencia al asentamiento fioculación, variación en la temperatura, posible ajuste del pH.

2. De la suspasión conocer se densidad, Yo de sólidos, pH y temperatura; de los sólidos el tamaño de paríícula y si es posible la forma, porosidad, solubiiidad, temperatura de secado permetida y su densidad; del líquido, viscosidad, densidad y ocacionalmente su tensib superficial, variación de la presión de vapr con la temperatura

3. Objetivos de la filtración: de acuerdo a los requerimientos del proceso se debe enconira el camino más ecbnornico para llegar a la meta; es posible que se requiera más de un filtro, entonces el filtrado puede ser reciclado &a pulirse en otra unidad.

4. Selección del medio ñltrante: se basa en el conocimiento del tamaflo de partícula y los objetivos de la separación. Se requiere un medio filtrante con adecuada filtrabiiidad y porosidad. Se recnmienda probar 2 o 3 telas.

17

.., .

. .

c.

VI1 . FILTRO PIENSA

Este tipo de filtro consiste en una serie de placas y marcos ordenados de forma alternada y soportados por un par de rieles. La placa tiene una superficie acanalada o estriada y los bordes planos sobresalen ligeramente, estando toda ella mecanizada cuidadosamente. El marco hueco está separado de la placa por la tela filtrante y la prensa se cierra por medio de un tomillo manual o hidráulicamente; debe utilizarse la mínima presi6n para reducir el desgaste de las telas. Entre cada par de placas sucesivas se forma por lo tanto una cáma!a. La susperiui6n se introduce a través de un orificio existente en cada marco y el filtrado pasa a través de la tela de cada lado, manera que se forman simdtaneamente dos tortas en cada &mara, uniéndose éstas cuando el marco está lleno. Los marcos suelen ser cuadrados y pueden metiir entre 100 mm. y 1.5 m. de lado y desde 10 mm. hasta 75 mm. de @eso.

La suspnsi6n puede introducirse en la prensa a través del canal continuo formado por los orificios existentes en las esquinas de las placas y de los marcos, en cuyo caso es necesario abrir los correspondientes agujeros en las telas que actúan por si mismas de juntas. Puede evitame el tener que cortar la tela, tuimentando a traves de un canal lateral, pero en este caso deberán instalarse prensa estopas de caucho para formar una junta estanca. El fdtrado circula hacia abajo por la superficie acanalada de las placas y se dwcarga a continuacibn a través de un grifo R una arteya abierta, de forma que pueda inspeccionarse el fiitrado de cada p h , pudiendo aislarse una cualquiera de las mismas si no proporciona un f i i h claro. En algunos casos el filtrado se tira a traves de un canal cerrado, pero entonces no es posible observar separadamente la descarga de cada placa.

En muchos filtros prensa, se prevé la calefaccih por vapor, disminuyendo así la viscosidad del filtrado y obteniéndose una velocidad de filtraci6n mas elavada. Los materiales, como por ejemplo ceras, que solidifcan a temperaturas normales, pueden filtrarse también en las prensas calentadas con vapor. La calefacci6n con vapor facilita también la prcducci6n de una iorta seca. En la figura 1 se representan: (a) fi1i1-0 prensa Sbriver esiandar, @) placa sin Invado, (c) marco y (d) placa de lavado y en la figura 2 se muestra un arreglo esquedtico para el traíamiento por lotes en uní? sola etapa de liquidos,

18

.< , .

.. .

” -

..<

.

.. . -.-

I. . ., .

c.-

*...

” .

L .

” ..

.

r. .,,

,.

e..

. .

.. ,

L".

r.

. ..,

...

.,~..

- _. ". .

*. . . .

r.

L ~.

rl

., I...

- ,

L."

VlII . PRUEBAS EXPERTMbWTALES.

El filtro experimental utilizado esta soportado sobre una estructura de hierro. Este filtro prensa consta de 6 placas de 6 iWo de dienleir0 Eje i 0 cni. il 3 son nxims Ge 1 cm, de espesor.

El medio filtrante está formado por 6 lonas sencillas de algodón o papel filtro normal. El filúñdo debe ser recogido en dos probeta3 de dos litros cada una.

Se uhliZrin dos cronómetros para medir el tiempo de filtrado; la alimentación se di por medio de una bomba movida por un motor de 1/4 de hp.de potencia. El sistema gdemas debe contar con rnanómetro y valvula de pmión.

TEC!NlCAS DE C)PERAClON

a). Preparar la suspensión con la cunmnkación indicada por el instructor, teniendo cuidado de que ésta concentración sea la mejor para las diferentes presiones. Para determinar la concentración de la suspensión se necesita una cenffiga de laboratorio de 5000 rpm.. I Jn volumén medido de la suspensión se somete a la centrifugación, se devuelve la parte líquida restante a una probeta de tal manera que se pueda medir la diferencia de volumén de sólidos depositados en cada tubo de muestra de la cenffiga. Esto indicarir el Yo en volumén de sólidos.

b) Una ve^ preparada la suspensión, mantenerla agitada intrduciendo aire. c). Colocar las placas, marcos y lonas en el filtro. d). Conectar las salidas de filtrados a la línea que va a las probetas. ej. i\rrancar la bomba de alimentación, primero recirculando y luego abriendo poco a poco el

1). Con la válvula controladora nmtener una presión consíante Indicada por el instructor, filtro

ciiidando que se conserve así hasta agotar el volumén de torta disponible del filtro.

1. - DETERMlNACZONDE CONSTANTS DE FILTXACZON :Esta práctica de ñitración se realiza cuntrolando la diferencia de presiones de tal modo que permanezca wnstanie durante todo el proceso; este regimen de ñlirado puede mtenerse fhcilmente si la suspension a ñltrar proviene de un depósito que se m í i e n e a presión constante o si se encuentra en un tanque almacen, este se coloca por anióa del filtro y la presión ejercida sobre el mismo es la correspondiente a la carga hidmstática.

Es evidente que manteniendo constante la presión bajará la velocidad de filtración a medida que esta transcurra por ir aumentando el espesor de la torta y con ello la resistencia a la filtxacibn. Para el estudio de la filtración en tales condiciones podemos utilizar las ecuaciones ( 13); (14) y (1 5) descritas anteriormente.

21

.. ,.

L I-

-.

I . -

PRKEDLMIENTO

- Preparar 20 litros de solución de carbon at^ de calcio en agua de 12 a i 5 %'O en peso. - Seguir 108 pasos de la técnica de operación. - hfedir la variación de volumén de filtrado con respecto al tiemp. - Secar la torta y descargarla cuando el aire de secado no lleve agua. - Volver a preparar la suspensión a la misma concentración pero operar a presibn diferente y

- iVedii el área de filtración (doble del Brra del mam por número de marcos).

Para de terminar el efecto del cambio de presión, es necesario correr varias pruebas bajo diferentes presiones y calcular S al &car log v , ~ log P, obteniendo la recia de pendiente 6 y ordenada al origen

constante

, como se muestra en la siguiente figum.

22

.

,. .

DATOS QUE SE DEñENDE OBTENER PARA L4S CONSTANTES DE FIL'TRACION

P = Kglm

Suspensión: CaCO = YO Dimensiones :

Ayuda -Filtro = % Area de filtración: (m'

Datos del filtro: Volumén de ñitración: ím3 I

Peso de sólidos obtenidos: (Kg)

Húmedad: Yo

No. de placas =

Nademarcos =

23

,~..

,..,”

I..

”...,

.

..

- Obtener la hoja de datos expenmentales - ümficar düdV vs V y la de t vs V -Losvaloresde K, , K g , y Veparacadacomda. - Una gráfica del log G vs tog 4P. - El valor de S y - E1 área de ñltnicion mquenda para el problema planteado

2. - FILTMCIONA PRESZON CONSTANTE. DETEMIN4CION DE I A REAYIXENC.U ESPECIFICA DE LA TORTA.

12 resistencia que se opone al paso del liquido consta de dos partes: a). Resistencia debida a la toria sólida. 6). Resistencia debida al medio filtrante.

La resistencia efectiva de la superficie filtrante no es igual a la resistencia que opone la supreficie limpia, debido a que, durante la filtracih, sus poros se obstruyen parcialmente con padculas, por lo que su resistencia red debe. medirse durante un experimento con la suspensión. La resistencia adicional opuesta por el medio filtrante se supone que es equivalente a la que opon& una to& sdida ñcticia de espesor Lf. De igual forma el volm&n del liquido ñcticio Correspondiente es Vf y para recogerlo se requeriria un tiempo tf.

Pam esta prkt ia no se utilizani el ñltro prensa, debido a que es un experimento ilustrativo. Por tal motivo necesitamos de un deposito para la suspenüi6n con agitador, un embudo de buchner de 25 cm. de diámetro con un material poroso filtrante, un deposito receptar del filtrado con escala, un man6metro y una conexión a un sistema de vacío.

- .Reparar 8 litros de suspensión de cart>onato de calcio en agua de 12 a 15 Yo en peso. - Se conecta el vacío en forma que exista una pequefía depresión en el aparato. - Abrir la vhlvula del deposito de mspensi6n y anotar el tiempo. - A intervalos regulares se mide y anoia la altura de líquido filtrado y el tiempo tninscumdo,

n medida que progresa la filtración se va regulando el vacío para que la lectura del nimómetro se mantenga constante.

- Cuando la torta alcanze un espesor suficiente se da por finalizado el experimento. - Se extrae y se pesa la torta him&> despubs se seca, se tom el peso de la torta seca para

determinar la cantidad de liquido retenido.

24

Tiempo 0). Volumén de filtrado (\? Diferencia de volumén (dv)

V = Volumén total de liquido filtrado, m =

C = Volumén de filtrado para producir un espesor de torta de resistencia equivalente a la

t del medio f i lmte =

Tiempo de filtración, hr = Peso de la torta húmeda = Peso de la torta seca =

CAiCllLOS

- Hoja de datos experimentales. - Graficar dt/dV vs (V + dV12) para obtener una linea recta, de acuerdo con la ecuación:

dtidV = 2VK f 2CK

La pendiente de la recta es 2K y la ordenada al origen es 2CYK - Calcular el valor de. K de acuerdo con la siguiente ecuación:

K = 2 A Pgc(1-mw)/ w.

Donde: A = área del filtro. P = diferencia de presión a través del filtm, F(g/m ) m = Kg de torta húmeda / Kg de torta seca. w = hcCiOn en peso de sólidos de la suspensión.

=I. viscosidad del filtrado, ( K g b m ) = densidad del filtrado, (Kg/m 1 =y resistencia especítíca de la torta (se calculareahdo el mismo experimento pero a

difemte presión)

25

1 7- , . .+--

IX . EVALUACION

(I".

" ..

0 .

. .

</" .

Una vez realizados los experimentos el alumno deberk evaluarse con el siguiente cuestionario:

1. Defina la operación: filtración 2, Indique cuales son las aplicaciones de la filtración en los procesos indushiales. 3 . ¿Qué entiende por clarificación? 4. Mencione los diferentes tipos de filtros de acuerdo a su clasificación general. 5 . Indique como funcionan: un filtro a presión y como un filtro a vacío. 6 . Mencione las comideraciones básica9 en la selección de un medio filtrante. 7. Mencione la menos 6 diferentes tipos de medios filtrantes. 8, ¿Qué es un filtro ayuda y cuales son sus características?. 9. '%'or qué es importante obtener el factor de compresibilidad?. 10. i , Q d aplicaciones tiene el detem.iinar los valores de I$ y K,?. 1 1. 'Cómo se dcu la Ve ?. 12. ¿,Cómo se calcula el vector de s ?. 13. Describa la técnica de arranque y operación del equipo. 1 4 , Mencione cuales serían en su opinion las consideraciones bhsicas pani la selwión de

I 5 . ¿,CiiAles son IRY precauciones para operar 01 filtro adecuadamente?. un filtro.

. .

26

. .

., I

L .

r ,.

. .

1.

,

..

c-

..

I-

- ..

* -

.,

La Mtración es UM operación unitaria bita en diversos procesos indus thh en donde se aplican los principios bssicos de la d W c a de fluidos a través de lechos granulados y porosos. Dicha operacibn es considerada como una separación mecánica, por lo cwü no se requiere usar demasiada energía.

En la filtración e s h involwrados diferentes caractensticas Asicas, tanto del medio Ntrante como del filtrado y de los sblidos a separar. Por tal motivo ,se derivan diversas k n i c a s de filtración y diferentes tipos de filtros.

Hay una pan similitud de la Niración a escala industrial con la que se realiza en el laboratorio, r d n por la cual no es dificil implementris un proeeso de laboratorio a nivel plmh piloto o industrial. Por lo tanto podemos decir que la filtración e.. una opmción Msica de fhcil operación y bajo costo.

2 7

X I . RIBLIOGKAFIA.

- F. Molynew, "Ejercisios de Laboratorio de ingeniería Química"; editorial Blume, 1959.

- Robrt E. TreyM, "Operaciones de Transferencia de Masa"; segunda edici6n; editorid Mc(iraw-Hi11; 1980.

- Peters; "Operaciones Básicas de Ingeniería Química"; Barcelonrr; 1955

- McCab and Smith; "Unit Operations of Chemical Engineering"; editorial McGraw-Hill, 1965.

- Foust, Wendel; "Pnncipios de Operaciones Unitarias"; editond Jonh Wiley and Sons; 1962.

r

78